реферат эколог. Судовая энергетическая установка как источник загрязнений
 Скачать 37.74 Kb.
|
|
Введение Энергетические установки, имеющиеся на судах, обеспечивают их движение, работу отдельных узлов, жизнедеятельность экипажа и пассажиров. Функционирование таких установок оказывает влияние на окружающую среду и обладает своими специфическими особенностями. Не случайно защита окружающей среды и климата от выбросов морских судов играет все большую роль, так как растущее судоходное сообщение сопровождается увеличением загрязнения окружающей среды и негативным влиянием на климат и экологию. На долю судовых энергетических установок приходится около 60–80 % всех токсичных отходов: нефтесодержащие воды и выбросы отработанных газов дизельных двигателей. Обычная доля горюче-смазочных материалов в нефтесодержащих водах составляет 200–500 г/м3. Она зависит от состояния оборудования, культуры его обслуживания и ремонта. Возникающие при этом отработанные газы и сточные воды загрязняют атмосферу и водную среду оксидами азота, серы и их частичками. С недавних пор в центре внимания находится опасное влияние вторичной эмиссии диоксида углерода на морскую окружающую среду, так как возможное закисление морской воды в результате повышенного содержания СО2 в атмосфере может привести к снижению значения рН и воздействию на биологические структуры карбоната кальция. Проблема повышения энергетической эффективности и экологической безопасности судов является одной из наиболее актуальных в области эксплуатации судов в наши дни. Глава 1. Судовая энергетическая установка как источник загрязнений. Нормативно-правовая основа определения экологического статуса судна. В процессе эксплуатации судов применяется морская вода, которая после использования возвращается в морскую среду качественно измененной. В частности, забортную морскую воду используют на судах для обеспечения работы СЭУ. В этом случае происходит тепловое загрязнение за счет выноса обычного тепла, приобретаемого морской водой при ее использовании для охлаждения ДВС и других устройств. Кроме теплового загрязнения, в Мировой океан попадают нефтесодержащие воды (водные эмульсии топлива и масел). В состав Организации Объединенных Наций входит специальная организация, занимающаяся проблемами загрязнения биосферы – Межправительственная морская консультативная организация (ИМКО). Она разработала документы, которые необходимы для определения экологического статуса судна: Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1973 года, с изменениями 1978 года (МАРПОЛ 73/78); Технический кодекс по ограничению выбросов окислов азота. 19 мая 2005 г. вступило в силу Приложение VI к Конвенции МАРПОЛ 73/78 – «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов». В нем выдвигается ряд требований по ограничению выбросов: ограничение выбросов озоноразрушающих веществ; ограничение выбросов окислов азота (NOx) судовых дизелей; ограничение выбросов окислов серы (SOx); ограничение выбросов летучих органических соединений с танкеров; ограничение по сжиганию в судовых инсенераторах. 1.2. Параметры энергооборудования, влияющие на экологическую безопасность судовых энергетических установок. Уменьшения вредных выбросов достигают путем перевода дизельных двигателей на природный газ или на газы, сопутствующие горным выработкам. При этом основными загрязняющими факторами остаются выбросы окислов азота и углерода. В отдельных случаях для подавления вредных выбросов используют рециркуляцию отработанных газов, каталитическое обезвреживание NOX. Одним из экономически приемлемых путей повышения энергетической эффективности и экологической безопасности судов является переход на альтернативные виды топлива, использование которых обеспечивает сокращение вредных выбросов в окружающую среду судовыми двигателями. Выделяют следующие группы альтернативных видов топлива: эмульсии нефтяных топлив с кислородсодержащими соединениями, такими как спирты, эфиры, вода; синтетические жидкие топлива из органического сырья; топлива не нефтяного происхождения, отличающиеся по своим свойствам от традиционных (спирты, сжатый природный газ, сжиженные газы). Кроме того что в процессе эксплуатации судовой энергетической установки происходит выброс вышеперечисленных загрязняющих веществ, она является источником различных шумов и вибраций. Уровень шума дизелей составляет порядка 105–115 дБ. Для уменьшения вредных воздействий шума и вибраций применяют демпферы, глушители, фильтры, шумопоглощающие переборки, звукоизолирующие покрытия. Параметры, влияющие на экологическую безопасность, делятся на две категории: общие и специальные. Общие параметры – это параметры, характеризующие все типы судовых энергетических установок. Специальные параметры характеризуют конкретную силовую установку. К общим параметрам относятся качество топлива, расход топлива, потери теплоты и топлива в окружающую среду, коэффициент избытка воздуха. К специальным параметрам относятся давление продуктов сгорания, угол опережения зажигания (впрыскивания топлива), коэффициент наружных загрязнений, температура топлива. Общие параметры, влияющие на экологическую безопасность судовых энергетических установок: 1. Качество топлива. Основным источником теплоты при сгорании топлива является окисление углерода и водорода. Кроме этого, по мере увеличения молекулярной массы в состав топлива могут входить соединения азота, кислорода, тяжелые металлы, сера и др. Основное топливо, используемое на судах ВМФ России, – флотский мазут, получаемый в процессе переработки нефти. Согласно ГОСТ 10585-75, можно использовать флотский мазут Ф5 и Ф12, где 5 и 12 – это условные числа вязкости при 50 °С. ГОСТ 10585-99 определяет в Ф5-мазуте предельное содержание серы – 2 % и коксуемость – 6 %. Также, согласно ТУ 0252-014-00044434-2001, выпускают следующие виды судового мазута: ИФО-30, ИФО-180, ИФО-380. 2. На судах с дизельной энергетической установкой (теплоходы – самый распространенный тип судов) используется дизельное топливо. Согласно техническому регламенту от 5 сентября 2008 г. «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», предельное содержание серы должно быть 3,5 %, с 1 января 2011 г. – 2 %, а с 1 января 2013 г. – 1 %. 3. Расход топлива. Расход топлива необходимо сопоставлять с подачей воздуха, чтобы не происходил ни химический недожог, ни увеличение концентрации кислорода в отработанных газах. При некачественном топливе целесообразно увеличивать расход топлива в связи с тем, что необходимо сохранить рабочие параметры энергетической установки (в парогенераторах – паропроизводительность, а на дизелях – частоту вращения вала). Расход топлива для судовых котлов составляет 0,3–0,5 кг/к Вт ч, а для дизелей – 0,25–0,3 кг/к Вт ч. Потери теплоты и топлива в окружающую среду. В связи с неполным сгоранием топлива возникает недожог топлива, который отрицательно влияет не только на экологию океана и воздуха, но и снижает общий КПД СЭУ.В процессе недожога образуются сажа (пиролиз топлива), более низкомолекулярные углеводороды, свободный водород и угарный газ. Данные продукты сгорания горючи и имеют среднюю общую удельную теплоту сгорания, сравнимую с мазутом. Данный параметр составляет 2–5 % от массы всего топлива. 4. При температуре свыше 1500 °С в результате пиролиза мазута образуется сажа. Сажа – твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме выделения сажи возникает термический крекинг (процесс расщепления «тяжелой» молекулы на две более «легкие»). 5. Коэффициент избытка воздуха. Этот параметр означает отношение действительного количества воздуха в горючей смеси к теоретически необходимому для ее полного сгорания. Стехиометрическое количество воздуха – это такое количество воздуха, которое необходимо для полного сгорания топлива. Для полного сгорания дизельного топлива необходимо 13–15 кг воздуха на 1 кг топлива, для мазута – порядка 10–13 кг. Если действительное и теоретическое значения количества воздуха совпадают, то коэффициент избытка воздуха ра-вен 1. Среднее значение этого параметра составляет 1,2–1,4. При повышении количества подачи воздуха увеличиваются тепловые потери (уменьшается КПД), снижается количество угарного газа, несгоревших углеводородов и водорода и увеличивается доля оксидов азота. При уменьшении количества подачи воздуха увеличивается доля угарного газа, несгоревших углеводородов и водорода (уменьшается КПД) и уменьшается доля оксидов азота. Специальные параметры, влияющие на экологическую безопасность судовых энергетических установок: Давление продуктов сгорания. Данный параметр влияет лишь на работу дизелей и газовых турбин, так как давление в топке котла почти всегда постоянно и мало отличается от атмосферного. В процессе работы дизеля постоянно меняется давление в связи с перемещением поршня в цилиндре. При повышении давления увеличивается концентрация SO3 из-за окисления SO2, а также NO2 из-за окисления NO. Кроме этого, данный параметр влияет на значение термического КПД: чем больше давление сжатия, тем больше КПД установки. Решением этой проблемы является увеличение температуры горения топлива. Равновесие реакций смещается в обратную сторону, где солеобразующий оксид азота восстанавливается до NO, а SO3 – до SO2 [1]. Угол опережения зажигания. Процесс интенсивного образования NOХ происходит в фазе (второй) быстрого горения смеси. Чем выше скорость тепловыделения в этой фазе, тем интенсивнее появляются локальные зоны образования оксидов азота. Увеличение тепловыделения в первой фазе процесса сгорания приближено к термодинамическому циклу. С увеличением угла опережения зажигания КПД и выбросы NOХ тоже растут. Цикловая подача топлива определяет качество и состав топливной смеси, от чего зависят экономичность работы двигателя, токсичность выхлопов, мощностные характеристики. Цикловая подача топлива является одним из важных параметров, характеризующих техническое состояние дизельного ДВС, в частности состояние топливного насоса высокого давления. Выход указанного параметра за пределы допускаемых значений приводит к ухудшению работы двигателя, закоксовыванию деталей цилиндропоршневой группы, снижению мощности двигателя, увеличению удельного расхода топлива. Уменьшение скорости роста цикловой подачи топлива в переходном режиме ведет к значительному уменьшению выбросов в атмосферу. Коэффициент наружных загрязнений. Этот параметр характеризует работу паровых котлов. Он показывает, какое количество сажи осаждается на поверхности трубок котла. Для главных паровых котлов он составляет 0,003–0,006 м2·ºС/Вт, для вспомогательных и утилизационных котлов – 0,003–0,009 м2·ºС/Вт. Коэффициент наружных загрязнений тем меньше, чем больше скорость выходящих газов. Следовательно, при меньших значениях этого параметра (оседания на стенках трубок) количество сажи, уходящей с газами, увеличивается. Температура топлива. Этот параметр также характерен для паровых котлов. Мазут более требователен к температуре, чем дизельное топливо, так как в состав мазута входят высокомолекулярные углеводороды, парафины, которые при средних температурах воздуха застывают и увеличивают вязкость топлива. Увеличение вязкости топлива ведет к ухудшению его качества. Для снижения его зависимости от температуры в топливо добавляют различные вещества, в том числе дизельное топливо, воду и т.д. Флотский мазут Ф-5 состоит из 60–70 % мазута и 40–30 % дизельного топлива, иногда допускается 22 % керосина. 1.3. Загрязнение воздуха отработанными газами судовых энергетических установок Загрязнению воздуха отработанными газами энергетическим оборудованием уделяется особое внимание. На судоходство приходится: 5 % всей мировой антропогенной эмиссии оксидов азота; 13% выбросов диоксида серы, прежде всего из-за тяжелого высоковязкого мазута, используемого в качестве топлива. Мазут нагревают до температуры 100–140 ºС, чтобы получить необходимую вязкость для впрыска. Этот остаток переработки нефти, как правило, отличается высоким содержанием серы (2,5 %), что приводит к значительной доли диоксида серы в отработанном газе. Установлено, что в газовых выбросах дизельных двигателей содержится более 200 компонентов, причем из них 99–99,9 % составляют азот, кислород, диоксид углерода и вода. Оставшиеся 0,1–1 % относятся к токсичным компонентам. Эмиссия оксидов азота, монооксида углерода и летучих органических соединений способствует возникновению озона, который, несмотря на малую продолжительность жизни, располагает более высоким специфическим потенциалом нагрева Земли по сравнению с диоксидом углерода. Специфическое потребление энергии морскими судами составляет 5–10 г/т•км. Это значительно меньше по сравнению с другими видами транспорта (у транспортного самолета оно равно 400–600 г/т•км). Они едут медленнее и потребляют значительно меньше топлива, что обуславливает относительно небольшое загрязнение окружающей среды диоксидом углерода. Его эмиссия при работе двигателя внутреннего сгорания с фактором 3 пропорционально потреблению топлива. Эмиссия оксидов азота и диоксида серы зависит от процесса сгорания и, соответственно, от содержания серы в топливе и его вида. С 2000г. эмиссия оксидов азота регулируется стандартом Международной морской организации, поэтому строители судов разрабатывают различные способы совершенствования двигателей для них и внутри моторного сгорания за счет добавления воды и катализаторов. В 2001 г. потребление топлива международным водным транспортом составило 282 млн т, а эмиссия оксидов азота – 23,5 млн т. С тех пор загрязнение окружающей среды продолжает увеличиваться. В настоящее время выбросы вредного для климата диоксида углерода достигли 1,2 млрд т (5 % от мировой эмиссии). Столько его выбрасывают в атмосферу Япония или Индия. Кроме того, судовые двигатели выделяют 37 млн т оксидов азота и 20 млн т ядовитого диоксида серы. Сделан прогноз, в соответствии с которым эмиссия оксидов серы морским транспортом до 2020 г. превысит их выбросы из всех расположенных на берегу источников в Европейском сообществе. Международная морская организация установила пределы содержания серы в применяемом на судах топливе: с 2012 г. — 35 000 частей на 1 млн; с 2020 г. — 5000 частей на 1 млн (для сравнения в дизельном топливе для автомобилей оно равно 10 частей на 1 млн). Усилия по уменьшению эмиссии морскими судами направлены на: уменьшение потребления традиционных видов топлива за счет оптимизации конструкции судов и двигателей; применение альтернативного топлива (природный газ) и дополнительных приводов (парус). Здесь необходимо обратить особое внимание на ротор Флеттнера, представляющий собой вертикальный цилиндр, устанавливаемый на палубе, который с помощью ветра обеспечивает движение судна и позволяет экономить 30–50 % топлива. Другим решением является размещаемая между водой и судном воздушная подушка, снижающая расход топлива на 15 %; оптимизацию использования судов для уменьшения специфической эмиссии в расчете на единицу транспортной мощности. Снизить токсичность газовых выбросов судовыми энергетическими установками можно за счет: Предварительной очистки топлива от соединений серы, но это дорогостоящее мероприятие. Подготовки топлива, регулировки работы котлов (сжигание при малом избытке воздуха, двухступенчатое сжигание, рециркуляция газов), изменения параметров применяемого оборудования. Замены топлива на более легкое с меньшим содержанием токсичных веществ при входе судна в прибрежную зону. В таком режиме уже работают дизельные двигатели фирмы Wartsila (Финляндия). Очистки выхлопных газов перед выбросом с помощью технологий, отработанных на береговых установках. Для очистки дымовых газов предлагаются сухие и мокрые методы на основе сорбентов (активированный уголь, силикагели, синтетические смолы). Мокрые методы более эффективны и требуют меньших расходов. Остатки нефтепродуктов возникают на судах преимущественно при очистке мазута. 1 % его (во всем мире 2,8 млн т) остается после сепарации и фильтрации в виде масляного шлама. Он также возникает при очистке смазочных масел и регенерации трюмной воды. Суммарный объем этих отходов для всех судов составляет 1–1,5 тыс. т/год. Использование отходов сепарации в качестве добавки к топливу не получило признания, так как потребовало очистки котлов от сажи, снижения их токсичности и немалых расходов. Поэтому эти отходы вместе с отработанным маслом собирают в отстойник. Их целесообразно оставлять в порту для регенерации при наличии соответствующей инфраструктуры. При этом необходимость расходов на утилизацию является причиной нелегального их сброса в море. Для обработки сточных вод судостроительная промышленность разработала компактные биологические установки. Они установлены почти на всех судах. Для защиты моря в наиболее чувствительных регионах (полярные области) на судах используется высокоэффективная мембранная технология. 1.4. Дополнительные экологические проблемы судоходства К дополнительным экологическим проблемам судоходства можно отнести следующие: 1. Забор балластной воды часто связан с поглощением морских организмов, живущих в соответствующих акваториях, которые обнаруживают в следующем порту погрузки при определенных обстоятельствах благоприятные условия для жизни и негативно влияют на содержащиеся в нем сообщества морских организмов. 2. При разборке судов на лом возникают значительные риски для окружающей среды и здоровья. Шумовое излучение негативно влияет на моряков, население, проживающее рядом с портом, и морских млекопитающих. Слив остатков масла (порой нелегальный) или других опасных жидких веществ, утилизация мусора в море и неконтролируемое загрязнение судовыми отходами также являются причинами нанесения ущерба окружающей среде. Глава 2. Конкретные решения по защите окружающей среды при эксплуатации судов 1. Большая часть кораблей, плавающих в Северном море, перестроилось на содержащее мало серы топливо. Они берут его в плавание наряду с мазутом, так как с 2010 г. в портах Европейского сообщества установлены низкие предельные значения для содержания вредных веществ в выхлопах и сточных водах. А отдельные из них оснащены установками для очистки отработанных газов. Это оказалось эффективным, прежде всего для грузовых судов, которые преимущественно или исключительно плавают в Северном и Балтийском морях либо у побережья Северной Америки. А также для пассажирских лайнеров, которые с целью обеспечения привлекательного имиджа очищают возникающие у них отработанные газы. 2. Другим способом является использование так называемого сухого скруббера, в котором отработанный газ пропускается через гранулы извести, связывающие серу. В верхней части этой емкости бункер пополняется свежей известью, а в нижней гипс выводится во второй бункер. Это устройство отличается компактностью и устанавливается на палубе рядом с ходовым мостиком. Когда бункер с известью опустошается и бункер с гипсом заполнен, то на причал доставляют цистерну с новым реагентом. С помощью сжатого воздуха гранулы извести перемещаются в запасную емкость и затем выгружают содержащий серу гипс. Процесс очистки можно сравнить с удалением серы из дымовых газов на электростанциях, промышленных установках и установках для сжигания серы. 3. В открытых системах в отработанные газы впрыскивают морскую воду. Затем кислые сточные воды нейтрализуют и отделяют маслоподобные твердые вещества, прежде чем слить в море. Для этих сбросов Международная морская организация установила значение рН не менее 6,5. Другие ее предписания по сохранению окружающей среды ограничивают содержание различных вредных веществ, нитратов, моющих добавок и мутность от взвешенных веществ. Осадки, образующиеся в процессе очистки, остаются на борту и утилизируются на берегу. 4. Еще одним важным направлением в решении экологических проблем на море является строительство судов, плавающих без отходов. В настоящее время уже 12 работающих от аккумуляторов катеров и судов, которые сконструированы для плавания вблизи побережья или внутри страны в Норвегии, Бельгии и Нидерландах, скоро отправятся в первый рейс, частично даже автономно. Нигде эта тенденция так не выражена, как в Норвегии. Правительство этой страны намерено до 2030 г. перевести на электрическую тягу 2/3 всех катеров и судов, которые перевозят пассажиров и автомобили. Группа верфей Hayyard с 2013 г. получила 13 заказов на строительство судов без эмиссии. Но пока это капля в море, так как для уменьшения загрязнения окружающей среды требуется переоборудовать 50 000 торговых судов. В 2018 г. во всем мире использовалось 185 работающих на батареях судов, преимущественно в Норвегии и Франции. До 2021 г. будет пущено в эксплуатацию в Норвегии 60 работающих на батареи кораблей и судов с гибридным приводом. К таким относится построенное из легкого алюминия судно Ampre, оснащенное литиевыми аккумуляторами общим весом 10 т. Оно способно перевозить 350 пассажиров и 120 автомобилей и плавает с меньшей вибрацией, гораздо тише по сравнению с судами с дизельными двигателями. 5. Эмиссия круизного лайнера в течение одного дня соответствует выбросам 5 млн автомобилей. Поэтому ведется поиск альтернатив небезупречному с точки зрения экологии мазуту. К ней относится сжиженный газ, который уменьшает эмиссию на 90 %. Для перевода на этот вид топлива всех судов потребуется несколько десятилетий. Главным препятствием является переоборудование судов и инфраструктуры портов. Только некоторые из них располагают заправкой сжиженным газом. Это переоборудование потребует очень больших финансовых расходов. Кроме того, этот вид топлива дороже мазута. Первое круизное судно, работающее на сжиженном газе отправилось в плавание в начале декабря 2018 г Но с точки зрения защитников природы газовые двигатели не являются совместимым с окружающей средой решением. Но оно должно стать мостом к декарбонизации мобильности на море. Заключение Список литературы Денисенко А.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: учебник для вузов. СПб. : Элмор, 2005. 286 с. Макаров А.Я. Судовые энергетические установки: «Журнал главного инженера», №5, 2019. Клименюк И.В., Макаревич А.В., Минаев А.Н. Судовые энергетические установки :учеб. пособие. Владивосток : ДВГТУ, 2008. 260 с. Конвенции МАРПОЛ 73/78. Приложение VI «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов». URL: http://www.transport.ru/1/5/i77_22002.htm (дата обращения:06.04.2011). Крюков А.А., Гладкова Н.А. Экологическая безопасность судовой энергетической установки, работающей на органическом топливе // Молодежь и научно-технический прогресс. Владивосток : ДВГТУ, 2010. С. 62–64 Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность : учеб. пособие. М. : Академия, 2004. 480 с. |